高湛，吳必華，李華，王健

(1.中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市 430071;2.武漢理工大學(xué)，武漢市 430070)

0 引言

串補(bǔ)平臺(tái)由基礎(chǔ)及短柱、垂直支持絕緣子、斜拉耐張絕緣子、鋼平臺(tái)組成，串補(bǔ)設(shè)備安裝在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上。串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力體系為:豎向荷載由支持絕緣子傳給基礎(chǔ)短柱，水平荷載由垂直支持絕緣子和斜拉耐張絕緣子組成的支撐體系承受。串補(bǔ)平臺(tái)是一種頭重腳輕的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)往往不完全對(duì)稱，特別是平臺(tái)上荷載分布不均勻，地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)較大;同時(shí)支撐串補(bǔ)平臺(tái)的垂直絕緣子是一種脆性材料，與鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能差別較大，因此，串補(bǔ)平臺(tái)的空間計(jì)算及抗震分析顯得尤為重要。

1 串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)特性及荷載

1.1 結(jié)構(gòu)特性

根據(jù)串補(bǔ)平臺(tái)工藝要求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求:平臺(tái)結(jié)構(gòu)的自振頻率與設(shè)備的固有頻率應(yīng)相差2 Hz以上，以避免產(chǎn)生共振;垂直支撐絕緣子主要承受壓力，不承受彎矩;斜拉耐張絕緣子一般只考慮受拉，且應(yīng)對(duì)其施加一定的預(yù)拉力;在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在事故情況下任意一支持絕緣子失效時(shí)平臺(tái)仍能保證強(qiáng)度和穩(wěn)定［1］。某串補(bǔ)站串補(bǔ)平臺(tái)外貌如圖1所示。

圖1 串補(bǔ)平臺(tái)Fig.1 Series compensation platform

1.2 安全系數(shù)

由于絕緣子屬脆性材料，沒有塑性變形階段，當(dāng)應(yīng)力超過一定值時(shí)發(fā)生脆性斷裂。依據(jù)DL/T 5453—2012《串補(bǔ)站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［2］和 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］查得各材料安全系數(shù)，如表1所示。

表1 鋼材和絕緣子安全系數(shù)Tab.1 Safety factors of steel and insulator

1.3 荷載及荷載組合

串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受荷載主要包括:靜態(tài)恒載、風(fēng)荷載、覆冰荷載、地震作用。

(1)靜態(tài)恒載為串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及平臺(tái)上電氣設(shè)備自重力;

(2)風(fēng)荷載按GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》相關(guān)要求計(jì)算;

(3)覆冰荷載根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料可知，假定每覆冰l mm等效于平臺(tái)本身自重力增加1%;

(4)地震作用計(jì)算應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法或動(dòng)力時(shí)程分析法，應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用分析。串補(bǔ)平臺(tái)是由鋼材和絕緣子組成的混合結(jié)構(gòu)，所以，構(gòu)阻尼比取0.03。

在串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析中，主要考慮以下荷載工況:靜態(tài)恒載、靜態(tài)恒載+最大風(fēng)荷載、靜態(tài)恒載+平均風(fēng)荷載(50%風(fēng)荷載)+覆冰荷載、靜態(tài)恒載+地震作用+最大風(fēng)載荷、靜態(tài)恒載+地震作用+平均風(fēng)荷載+覆冰荷載、串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)任意一支柱絕緣子失效狀態(tài)［4］。

2 有限元單元選擇和模型建立

串補(bǔ)平臺(tái)上電氣設(shè)備宜按實(shí)際高度和質(zhì)量在空間模型中模擬。目前串補(bǔ)平臺(tái)國內(nèi)外通常采用ANSYS進(jìn)行有限元建模和分析。

由于在串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中斜拉耐張拉絕緣子具有單向受力特性，即僅能承受拉力，不能受壓，因此在實(shí)際工程中施加預(yù)拉力。本文在建模工程中采用Link10單元模擬斜拉耐張拉絕緣子，該單元是非線性單向受力單元，在具體建模過程中施加預(yù)拉力(預(yù)拉力與實(shí)際受拉力相同);Beam188單元模擬平臺(tái)型鋼梁和各種絕緣子以及電容器結(jié)構(gòu);Solid85單元模擬火花間隙和避雷器;Shell63模擬金屬氧化物避雷器上方連接板;Link8單元模擬垂直支柱絕緣子［5-8］。

垂直支柱絕緣子底部和頂部分別與基礎(chǔ)和平臺(tái)鋼梁按鉸接考慮，斜拉耐張絕緣子支撐上、下兩端分別與基礎(chǔ)和平臺(tái)鋼梁按鉸接考慮。垂直支持和斜拉耐張絕緣子支座外形如圖2所示，某串補(bǔ)站串補(bǔ)平臺(tái)有限元模型如圖3所示。

3 靜力計(jì)算

靜力計(jì)算主要是校核平臺(tái)結(jié)構(gòu)在靜態(tài)恒載、覆冰荷載、風(fēng)載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，以驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)在上述載荷條件下是否滿足安全性要求。

4 地震作用計(jì)算

串補(bǔ)平臺(tái)抗震設(shè)計(jì)目前應(yīng)用比較廣泛的是反應(yīng)譜分析及時(shí)程分析。由于地震反應(yīng)譜方法僅適用于結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的分析計(jì)算，而串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的多個(gè)構(gòu)件有明顯的材料非線性特征。特別是耐張拉絕緣子為單向受力的懸索構(gòu)件，雖然施加了一定的張拉預(yù)應(yīng)力，但在地震作用下，仍會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力為0的狀態(tài)，因此反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果不一定能反應(yīng)實(shí)際受力狀況。建議在抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用動(dòng)力時(shí)程分析方法，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的安全性［9］。

4.1 模態(tài)分析

在進(jìn)行時(shí)程分析前，必須對(duì)串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以了解串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的固有頻率(或周期)和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。由于地震中低頻對(duì)建筑物的影響最大，所以一般的模態(tài)頻率只需要計(jì)算到13 Hz左右［10］。

4.2 時(shí)程分析

串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)分別在x+z向以及y+z向施加地震波來考慮地震對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其電氣設(shè)備的影響。且平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，要同時(shí)考慮平臺(tái)結(jié)構(gòu)重力荷載的作用。

串補(bǔ)平臺(tái)可采用由5個(gè)正弦共振調(diào)幅5波組成的調(diào)幅波串進(jìn)行時(shí)程分析，如圖4所示，它由5個(gè)共振拍波組成，每個(gè)拍5周，間隔2 s，拍波的作用時(shí)間是s，f為結(jié)構(gòu)模態(tài)的第1 階固有頻率［10］。

圖4 正弦共振調(diào)幅波Fig.4 Sinusoidal resonance amplitude-modulated wave

各時(shí)程的水平加速度為

式中:a(t)為水平方向地面加速度，m/s2;ω為平臺(tái)自振圓頻率，Hz，ω=2πf;f為結(jié)構(gòu)模態(tài)的第1階固有頻率，Hz;as為時(shí)程分析地面運(yùn)動(dòng)最大水平加速度，m/s2;ao為設(shè)計(jì)基本地震加速度，m/s2。

豎向地震作用的時(shí)程分析時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)最大加速度av可取最大水平加速度的as的65%。串補(bǔ)平臺(tái)水平地震動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)取2.0，豎向地震動(dòng)力反應(yīng)放大系數(shù)取1.0。

5 實(shí)例分析

本文根據(jù)某串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖建立了其有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析、模態(tài)分析以及時(shí)程分析。該串補(bǔ)平臺(tái)的平面尺寸為17.645 m×7.85 m，斜拉耐張拉絕緣子施加15 kN預(yù)應(yīng)力。

5.1 靜力分析

根據(jù)串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型靜力作用組合的結(jié)果，可以得到在靜態(tài)恒載+平均風(fēng)荷載(50%風(fēng)荷載)+覆冰荷載時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大，因此下面主要介紹該組合的分析結(jié)果。通過建立的模型計(jì)算可知，在靜力荷載工況下串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為163 MPa，層間絕緣子的最大等效應(yīng)力為29 MPa，支柱絕緣子的等效壓力為210 kN，斜拉耐張拉絕緣子的等效拉力為62 kN。

表2列出了型鋼和層間絕緣子的最大等效應(yīng)力和安全系數(shù)，表3列出了支柱絕緣子和耐張拉絕緣子的最大軸力和對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。

由表2和表3中可知，各類構(gòu)件計(jì)算的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)。因此，在靜力工況下，串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全。

5.2 動(dòng)力時(shí)程分析

串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分別在x+z向以及y+z向施加地震波來計(jì)算結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力。由計(jì)算可知，結(jié)構(gòu)在x+z向和y+z向地震波作用下的最大等效為191 MPa，層間絕緣子的最大等效應(yīng)力為41 MPa，支柱絕緣子最大等效壓力為297 kN，斜拉耐張拉絕緣子的最大拉力為102 kN。

表4列出了型鋼和層間絕緣子的最大等效應(yīng)力和安全系數(shù)，表5列出了支柱絕緣子和耐張拉絕緣子的最大軸力和對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。

由表4和表5可知，各類構(gòu)件計(jì)算的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)。因此，在動(dòng)力工況下，串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全。

5.3 任意一支柱絕緣子失效

由于絕緣子失效的工況時(shí)間或替換絕緣子之間的時(shí)間比較短，故可只考慮在靜力作用下的失效工況，并與動(dòng)力工況下的安全系數(shù)進(jìn)行比較，這樣既經(jīng)濟(jì)又滿足結(jié)構(gòu)安全。由計(jì)算結(jié)果可知，在靜力荷載工況下串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為200 MPa，層間絕緣子的最大等效應(yīng)力為46 MPa，支柱絕緣子的等效壓力為279 kN，斜拉耐張拉絕緣子的等效拉力為90 kN。表6為靜力作用等效應(yīng)力校核，表7為靜力作用內(nèi)力校核。

由表6和表7可知，各類構(gòu)件計(jì)算的安全系數(shù)均大于許用安全系數(shù)。因此，在任意一支柱絕緣子失效工況下，串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

串補(bǔ)平臺(tái)在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，斜拉耐張拉絕緣子為單向受力的懸索構(gòu)件，雖然施加了一定的張拉預(yù)應(yīng)力，仍會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力為0的狀態(tài)，具有明顯的非線性特征。由于反應(yīng)譜僅適用于結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)的分析計(jì)算，因此建議在抗震設(shè)計(jì)計(jì)算中，采用動(dòng)力時(shí)程分析方法。本文對(duì)某工程串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力、地震作用時(shí)程分析和任意一絕緣子失效工況的設(shè)計(jì)計(jì)算，校核了串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的安全系數(shù)，為串補(bǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］Q/DG 1-A008—2008串補(bǔ)站設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則［S］.北京:中國電力工程顧問集團(tuán)公司，2008.

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［3］GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

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［6］邢靜忠，李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分［J］.中國水運(yùn):學(xué)術(shù)版，2006(9):116-118.

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